臨興區(qū)塊致密氣水平井高摩阻影響因素及應(yīng)對(duì)措施

賈 佳

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司)

0 引 言

山西臨興區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶西北緣，屬于黃土塬地貌，沉積條件復(fù)雜，自上而下發(fā)育的地層有紙坊組、和尚溝組、石千峰組、石盒子組、山西組、太原組、本溪組、馬家溝組。該區(qū)塊儲(chǔ)集層非均質(zhì)性強(qiáng)，巖石致密，地層多且薄，同時(shí)可鉆性差，機(jī)械鉆速低，在水平井前期實(shí)施過程中，多口井出現(xiàn)了摩阻高的情況，部分井由于托壓嚴(yán)重，未能鉆至設(shè)計(jì)井深，導(dǎo)致提前完鉆，未有效達(dá)到地質(zhì)氣藏目的，影響了勘探開發(fā)的效果。此外，臨興致密氣區(qū)塊處于大開發(fā)初期，后續(xù)會(huì)鉆大量水平井，高摩阻問題也制約了臨興區(qū)塊整體致密氣的開發(fā)進(jìn)程。因?yàn)閲?guó)內(nèi)外對(duì)致密氣水平井鉆井中的高摩阻問題未進(jìn)行系統(tǒng)深入地分析研究，目前還沒有明確的指導(dǎo)降阻的針對(duì)性措施，所以有必要對(duì)致密氣的高摩阻問題進(jìn)行影響因素分析和系統(tǒng)的研究，以提高致密氣開發(fā)效益。

1 影響因素分析及應(yīng)對(duì)措施

對(duì)軌跡、井身結(jié)構(gòu)、套管類型、鉆井液、固井、鉆頭、鉆具組合、施工參數(shù)、鉆井工藝等影響摩阻的因素進(jìn)行分析，總結(jié)出影響該區(qū)高摩阻的主要因素有軌跡設(shè)計(jì)、鉆井液潤(rùn)滑性能、鉆具組合、施工參數(shù)、降阻工藝，統(tǒng)計(jì)未鉆至設(shè)計(jì)井深的水平井如表1所示。

表1 臨興區(qū)塊未鉆至設(shè)計(jì)井深水平井統(tǒng)計(jì)

1.1 軌跡設(shè)計(jì)

在鉆井過程中，部分井發(fā)生了扭矩過大、卡鉆、托壓等問題，所以對(duì)軌跡設(shè)計(jì)的主要因素如造斜點(diǎn)、全角變化率、井深、井底位移等進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)全角變化率對(duì)摩阻影響較大。對(duì)臨興區(qū)塊因高摩阻未正常完鉆水平井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其井深介于2 584～3 288 m，水平段長(zhǎng)度介于623～1 107 m?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過程中，這些井軌跡的最大全角變化率均在5°/30 m以上。通過軟件模擬計(jì)算，控制造斜點(diǎn)、井深、井底位移、水平段長(zhǎng)度不變的情況下，隨著全角變化率的增大，鉆具的屈曲程度增大。

根據(jù)管柱力學(xué)理論的研究成果[1-2]，管柱在載荷逐漸增加的情況下，首先會(huì)發(fā)生正弦屈曲，在這種情況下，如果載荷撤除，正弦屈曲消失，管柱恢復(fù)原樣；隨著載荷繼續(xù)增加，正弦屈曲會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪?，此時(shí)即使撤除載荷，管柱也不能恢復(fù)原狀，且會(huì)受到不可恢復(fù)的破壞；如果載荷繼續(xù)增加，螺旋屈曲會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樽枣i，管柱徹底遭到破壞(圖1)[3-4]。

應(yīng)對(duì)措施：結(jié)合屈曲理論[5-7]，經(jīng)過模擬計(jì)算(表2)，以及現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比驗(yàn)證，為了防止鉆具發(fā)生螺旋屈曲，后續(xù)水平井的全角變化率需要控制在5°/30 m以內(nèi)。

1.2 鉆井液潤(rùn)滑性能

現(xiàn)場(chǎng)水平井鉆井作業(yè)中，多口井出現(xiàn)了扭矩大、托壓嚴(yán)重的問題。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)參數(shù)，對(duì)作業(yè)中的摩阻系數(shù)進(jìn)行了反演，結(jié)果顯示鉆進(jìn)過程中裸眼段摩阻系數(shù)為0.35～0.45(圖2)，下套管過程中裸眼段摩阻系數(shù)為0.40～0.50(圖3)，與之前作業(yè)的鄰井摩阻系數(shù)0.30相比，摩阻系數(shù)明顯偏大。

圖1 鉆具屈曲變形示意

表2 不同全角變化率下鉆具狀態(tài)模擬計(jì)算

圖2 鉆進(jìn)時(shí)裸眼摩阻系數(shù)反演

圖3 下套管時(shí)裸眼摩阻系數(shù)反演

為進(jìn)一步提高鉆井液潤(rùn)滑效果，開展了鉆井液性能優(yōu)化研究[8-9]，在基礎(chǔ)配方的基礎(chǔ)上，選擇增加不同的潤(rùn)滑劑，然后評(píng)價(jià)潤(rùn)滑性能的優(yōu)劣，根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)，采用LUBE作為潤(rùn)滑劑的效果比較突出(表3)。

表3 不同種類潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑性能數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)選擇出的LUBE潤(rùn)滑劑繼續(xù)進(jìn)行加量對(duì)比試驗(yàn)，分析不同加量時(shí)，鉆井液的潤(rùn)滑性能差異。結(jié)果表明，隨著LUBE加量增加，潤(rùn)滑性能越來越好；但LUBE加量增至1%以后，潤(rùn)滑性改善變慢(表4)。

為了保證水平井施工時(shí)，摩阻得到有效控制，在增加LUBE潤(rùn)滑劑的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加石墨，試驗(yàn)鉆井液潤(rùn)滑性能變化情況。結(jié)果表明，增加石墨后潤(rùn)滑性能得到有效提高，但0.5%～1.5%加量的石墨，潤(rùn)滑性能基本接近(表5)。

表4 不同LUBE加量時(shí)潤(rùn)滑性能數(shù)據(jù)對(duì)比

表5 不同石墨加量時(shí)潤(rùn)滑性能數(shù)據(jù)對(duì)比

應(yīng)對(duì)措施：在后續(xù)鉆井作業(yè)時(shí)，建議在井斜小于30°井段優(yōu)選增加1%～2% LUBE加量，大斜度井段優(yōu)選2%～3% LUBE加量?？紤]到成本因素，后續(xù)水平井作業(yè)時(shí)，除了添加LUBE潤(rùn)滑劑，同時(shí)添加0.5%的石墨以進(jìn)一步增強(qiáng)潤(rùn)滑性能。

1.3 鉆具組合

在對(duì)已鉆水平井進(jìn)行鉆具組合分析時(shí)[10-12]，現(xiàn)場(chǎng)使用鉆具組合為Φ215.9 mmPDC+Φ171.5 mmPDM+F/V+STB+Φ165.1 mmNMDC+LWD+MWD+Φ165.1 mmNMDC+Φ165.1 mmDC×(3～9) +Φ127 mmDP+Φ127 mmHWDP×13+Φ127 mmDP。根據(jù)實(shí)鉆軌跡，加重鉆桿倒裝位于30°以下位置，根據(jù)該鉆具組合模擬計(jì)算結(jié)果，加重鉆桿為13根時(shí)，鉆至設(shè)計(jì)井深會(huì)發(fā)生螺旋屈曲，而加重鉆桿增加至30根鉆至設(shè)計(jì)深度時(shí)，不會(huì)發(fā)生螺旋屈曲(表6)。

表6 不同加重鉆桿對(duì)鉆進(jìn)作業(yè)影響

應(yīng)對(duì)措施：后續(xù)水平井鉆進(jìn)時(shí)，倒裝的加重鉆桿需要30根以上，倒裝至30°位置，可有效改善托壓情況。

1.4 現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，部分井實(shí)際鉆壓較大，對(duì)鉆具屈曲也有較大影響[13-15]。通過模擬計(jì)算，分析了不同鉆壓時(shí)的鉆具屈曲情況，結(jié)果表明(表7)，當(dāng)鉆壓逐漸增大至10 t以上時(shí)，鉆具屈曲由正弦屈曲轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪@具遭到不可逆的破壞。

應(yīng)對(duì)措施：后續(xù)水平井作業(yè)時(shí)，鉆壓保持在10 t以下，否則鉆具容易發(fā)生螺旋屈曲情況。

表7 不同鉆壓下鉆具屈曲情況

2 應(yīng)用效果分析

經(jīng)過對(duì)研究區(qū)塊水平井實(shí)施以上降阻措施，后續(xù)水平井鉆井作業(yè)中的摩阻有效降低，托壓現(xiàn)象也得到了有效控制。目前，水平井最大鉆深已經(jīng)超過3 500 m，水平段長(zhǎng)度超過1 200 m，已有超過12口水平井正常完鉆(表8)，有效實(shí)現(xiàn)了油藏的地質(zhì)目的。

表8 改進(jìn)后水平井鉆井?dāng)?shù)據(jù)

在應(yīng)用以上改進(jìn)措施的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中同時(shí)使用了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和水力振蕩器，通過改進(jìn)前后對(duì)比，鉆進(jìn)過程中鉆速明顯提高，工期縮短了20%以上(圖4)。

圖4 折算成3 000 m當(dāng)量深度水平井改進(jìn)前后工期對(duì)比

3 結(jié) 論

經(jīng)過對(duì)臨興區(qū)塊致密氣水平井高摩阻問題進(jìn)行分析研究，確定了影響高摩阻的幾個(gè)主要因素：井眼軌跡設(shè)計(jì)、鉆井液潤(rùn)滑性能、鉆具組合合理性、現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)，并提出了針對(duì)性的改進(jìn)措施。后續(xù)水平井施工對(duì)比表明，以上改進(jìn)措施可以有效降低水平井作業(yè)的高摩阻，同時(shí)鉆井作業(yè)效率提高20%以上，為臨興區(qū)塊和其他同類型致密氣水平井鉆井提供了參考，可以有效指導(dǎo)后續(xù)水平井的鉆井作業(yè)。